5G核心網(wǎng)演進(jìn)和特點(diǎn)

王曉寧

（諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，杭州 310052）

1 引言

5G時(shí)代三大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、低時(shí)延高可靠和大連接低功耗，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上提出了種種挑戰(zhàn)，這些新業(yè)務(wù)不僅對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)對(duì)5G核心網(wǎng)也提出了新的挑戰(zhàn)：比如對(duì)于固定接入和各種各樣的無(wú)線(xiàn)接入，核心網(wǎng)應(yīng)保證接入無(wú)關(guān)，降低終端接入系統(tǒng)的復(fù)雜性和低效性；核心網(wǎng)需要有分布式架構(gòu)和移動(dòng)性管理，避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率低時(shí)延長(zhǎng)、單點(diǎn)失效、流量超載等問(wèn)題；應(yīng)具備控制平面和用戶(hù)平面完全分離，雙方可獨(dú)立演進(jìn)和按需部署；核心網(wǎng)應(yīng)該支持輕量級(jí)的信令傳輸，應(yīng)對(duì)IoT等大連接低功耗服務(wù)。

2 演進(jìn)

當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)是分布式的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和集中式的核心網(wǎng)，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將演進(jìn)成：更集中式的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)滿(mǎn)足擴(kuò)展性，更分布式的核心網(wǎng)保證低時(shí)延。3GPP中定義了下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一些關(guān)鍵特性：接入無(wú)關(guān)，無(wú)連接，分布式UP，分片，云原生和微服務(wù)架構(gòu)等?；谠圃–loud Native）設(shè)計(jì)，結(jié)合IT領(lǐng)域的“微服務(wù)”的SBA（Service Based Architecture）構(gòu)架，已被3GPP確認(rèn)為5G核心網(wǎng)基礎(chǔ)構(gòu)架。

2.1 5G核心網(wǎng)架構(gòu)從邏輯層面劃分

5G核心網(wǎng)架構(gòu)從邏輯層面可分為異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)5GCore。異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)包括各種各樣的接入技術(shù)，比如4G接入、5G接入、Wi-Fi接入等。統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)5GCore包括Edge Cloud和Core Cloud由以下實(shí)體組成：

⊙ CGW（Converged Gateway）：聚合網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)用戶(hù)平面功能，包括接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包路由、用戶(hù)平面QoS管理和移動(dòng)性管理。

⊙ eUCE（edge Unified Control Entity）：和UCE一起負(fù)責(zé)控制平面功能，包括：用戶(hù)終端認(rèn)證和授權(quán)、用戶(hù)終端IP分配，CGW選擇、用戶(hù)終端會(huì)話(huà)管理、多種無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)（RAT）之間的協(xié)調(diào)，以及在一個(gè)CGW下的多個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理。

⊙ UCE（Unified Control Entity）：負(fù)責(zé)多個(gè)CGWs之間的移動(dòng)性管理和數(shù)據(jù)路徑的最優(yōu)化。

2.2 5G核心網(wǎng)邏輯層面重劃分使下一代網(wǎng)絡(luò)獲益

5G核心網(wǎng)邏輯層面的重劃分，使下一代網(wǎng)絡(luò)得到以下關(guān)鍵特性：

（1）接入獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)應(yīng)用非接入層（Non-Access Stratum，NAS）信令，滿(mǎn)足5G、4G、WiFi等多種接入技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)與接入無(wú)關(guān)的統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)。另外5G核心網(wǎng)按需NAS擴(kuò)展的信令機(jī)制，可根據(jù)服務(wù)來(lái)產(chǎn)生合適的非接入層信令，消除傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)先建立承載后數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿嫦蜻B接機(jī)制的弊端，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性，降低信令開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延。

（2）分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)將CGWs和eUCEs放置在IP網(wǎng)絡(luò)的邊緣（Edge Cloud）的分布式架構(gòu)，并應(yīng)用基于動(dòng)態(tài)錨機(jī)制的分布式移動(dòng)性管理，5GCore中的eUCE會(huì)動(dòng)態(tài)地將流量路徑信息發(fā)送給基站和CGW，實(shí)現(xiàn)高效的最優(yōu)流量路徑和最小化時(shí)延，克服傳統(tǒng)4G核心網(wǎng)采用靜態(tài)錨機(jī)制所帶來(lái)的流量路徑低效率和單點(diǎn)失敗的缺陷。

（3）控制平面和用戶(hù)平面的完全解耦?？刂破矫婀δ鼙环胖迷趀UCE和UCE中，用戶(hù)平面功能被放置在CGW中，兩者之間采用開(kāi)放接口來(lái)提供擴(kuò)展性和靈活性，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片。

（4）靈活移動(dòng)性。通過(guò)引入動(dòng)態(tài)IP錨點(diǎn)和用戶(hù)移動(dòng)性按需激活，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的靈活移動(dòng)性支持，不同的接入和UE類(lèi)型可以使用不同的消息，并可在移動(dòng)性等級(jí)間切換，比如固定的IoT設(shè)備并不需要移動(dòng)性，進(jìn)而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

另外，5G核心網(wǎng)從設(shè)計(jì)之初就使用了基于原生云設(shè)計(jì)的NFV和SDN架構(gòu)：微服務(wù)架構(gòu)、容器化、DevOps和動(dòng)態(tài)編排。

（1）微服務(wù)構(gòu)架。當(dāng)前電信應(yīng)用的典型特點(diǎn)：復(fù)雜和痛苦的網(wǎng)絡(luò)集成和升級(jí)，緩慢的功能開(kāi)放和發(fā)布。微服務(wù)能增加模塊化，把傳統(tǒng)單體式應(yīng)用程序分解為無(wú)狀態(tài)（Stateless）和松散耦合、粒度更小的“微”服務(wù)。微服務(wù)的松耦合狀態(tài)使得它們可以在云中自動(dòng)復(fù)制，并能夠平穩(wěn)地應(yīng)對(duì)為服務(wù)添加或移除的場(chǎng)景，而無(wú)需對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行重大的變更或進(jìn)行配置的改動(dòng)。比如，一個(gè)實(shí)例崩潰了，另一個(gè)實(shí)例可以立即替代。因此，微服務(wù)構(gòu)架具有很強(qiáng)的彈性，支持新版本快速發(fā)布，縮短上市時(shí)間。

（2）容器化。Container（容器）就是將集裝箱的思想應(yīng)用到軟件打包上。集裝箱在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中是密封的，只有到達(dá)目的地才被打開(kāi)，這樣就大大提高了裝卸和運(yùn)輸效率。軟件中容器的原理也是一樣，容器具備環(huán)境隔離和可重復(fù)性，你只需要將代碼/微服務(wù)打包進(jìn)容器里，就可以實(shí)現(xiàn)在幾乎所有操作系統(tǒng)上隨時(shí)運(yùn)行。容器是一個(gè)輕量級(jí)的虛擬化技術(shù)，它使得應(yīng)用程序可以獨(dú)立運(yùn)行，并可移植到不同的云基礎(chǔ)架構(gòu)中。

（3）DevOps。開(kāi)發(fā)希望產(chǎn)品更快上線(xiàn)，運(yùn)維希望產(chǎn)品穩(wěn)定第一，運(yùn)維和開(kāi)發(fā)人員共同協(xié)作發(fā)布服務(wù)（包括微服務(wù)），它創(chuàng)造了一種文化和環(huán)境，以快速、頻繁且更可靠地構(gòu)建、測(cè)試和發(fā)布服務(wù)，提高運(yùn)作效率。Dev和Ops團(tuán)隊(duì)通過(guò)高度自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)管理基于微服務(wù)的環(huán)境。

（4）動(dòng)態(tài)編排。指對(duì)容器進(jìn)行有效的調(diào)度和管理，以?xún)?yōu)化資源利用。容器編排系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理主機(jī)資源和分配調(diào)度容器、實(shí)例化一組容器、重新調(diào)度容器（如果失?。?，并通過(guò)API接口集成容器，進(jìn)行任務(wù)擴(kuò)展等。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G核心網(wǎng)演進(jìn)使能了極限移動(dòng)寬帶和超低時(shí)延通信，以期極簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)使能網(wǎng)絡(luò)切片和分布式部署，滿(mǎn)足時(shí)延關(guān)鍵服務(wù)和大規(guī)模的IoT需求，開(kāi)啟新的商業(yè)機(jī)會(huì)。同時(shí)5G核心網(wǎng)是自適應(yīng)和可編程，可以與運(yùn)營(yíng)商的生產(chǎn)環(huán)境相結(jié)合，通過(guò)大幅提升自動(dòng)化和持續(xù)的軟件交付降低運(yùn)營(yíng)成本。

[1] 曹亙，李佳俊，李軼群，李福昌.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展.移動(dòng)通信，2017，41（2）：32-37.

[2] 月球，王曉周，楊小樂(lè).5G網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)及核心網(wǎng)架構(gòu)探討.現(xiàn)代電信科技，2014（12）：27-31.